半波偶極子天線的HFSS仿真設(shè)計(jì)

半波偶極子天線的HFSS仿真設(shè)計(jì)半波偶極子天線的HFSS仿真設(shè)計(jì)/半波偶極子天線的HFSS仿真設(shè)計(jì)半波偶極子天線的HFSS仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)會(huì)簡(jiǎn)單搭建天線仿真環(huán)境的方法，主要是熟悉HFSS軟件的使用方法；了解利用HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)和仿真天線的原理、過(guò)程和方法；通過(guò)天線的仿真，了解天線的主要性能參數(shù)，如駐波比特性、smith圓圖特性、方向圖特性等；通過(guò)對(duì)半波偶極子天線的仿真，學(xué)會(huì)對(duì)其他類型天線仿真的方法；實(shí)驗(yàn)儀器裝有windows系統(tǒng)的PC一臺(tái)HFSS13.0軟件截圖軟件實(shí)驗(yàn)原理首先明白一點(diǎn)：半波偶極子天線就是對(duì)稱陣子天線。圖1對(duì)稱振子對(duì)稱結(jié)構(gòu)與坐標(biāo)2、對(duì)稱振子是中間饋電，其兩臂由兩段等長(zhǎng)導(dǎo)線構(gòu)成的振子天線。一臂的導(dǎo)線半徑為a，長(zhǎng)度為l。兩臂之間的間隙很小，理論上可以忽略不計(jì)，所以振子的總長(zhǎng)度L=2l。對(duì)稱振子的長(zhǎng)度與波長(zhǎng)相比擬，本身已可以構(gòu)成實(shí)用天線。3、在計(jì)算天線的輻射場(chǎng)時(shí)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證實(shí)天線上的電流可以近似認(rèn)為是按正弦律分布。取圖1的坐標(biāo)，并忽略振子損耗，則其電流分布可以表示為：式中，Im為天線上波腹點(diǎn)的電流；k=w/c為相移常數(shù)、根據(jù)正弦分布的特點(diǎn)，對(duì)稱振子的末端為電流的波節(jié)點(diǎn)；電流分布關(guān)于振子的中心點(diǎn)對(duì)稱；超過(guò)半波長(zhǎng)就會(huì)出現(xiàn)反相電流。4、在分析計(jì)算對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)時(shí)，可以把對(duì)稱振子看成是由無(wú)數(shù)個(gè)電流I(z)、長(zhǎng)度為dz的電流元件串聯(lián)而成。利用線性媒介中電磁場(chǎng)的疊加原理，對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)是這些電流元輻射場(chǎng)之矢量和。圖2對(duì)稱振子輻射場(chǎng)的計(jì)算如圖2所示，電流元I(z)所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)為其中5、方向函數(shù)實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)變量設(shè)置求解類型為DrivenModel類型，并設(shè)置長(zhǎng)度單位為毫米。提前定義對(duì)稱陣子天線的基本參數(shù)并初始化創(chuàng)建偶極子天線模型，即圓柱形的天線模型。其中偶極子天線的另外一個(gè)臂是通過(guò)坐標(biāo)軸復(fù)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)置端口激勵(lì)半波偶極子天線由中心位置饋電，在偶極子天線中心位置創(chuàng)建一個(gè)平行于YZ面的矩形面作為激勵(lì)端口平面。設(shè)置輻射邊界條件要在HFSS中計(jì)算分析天線的輻射場(chǎng)，則必須設(shè)置輻射邊界條件。這里創(chuàng)建一個(gè)沿Z軸放置的圓柱模型，材質(zhì)為空氣。把圓柱體的表面設(shè)置為輻射邊界條件。外加激勵(lì)求解設(shè)置分析的半波偶極子天線的中心頻率在3GHz，同時(shí)添加2.5GHz~3.5GHz頻段內(nèi)的掃頻設(shè)置，掃頻類型為快速掃頻。設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真計(jì)算HFSS天線問題的數(shù)據(jù)后處理具體在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中闡釋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果回波損耗S11回波損耗是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射，是天線設(shè)計(jì)需要關(guān)注的參數(shù)之一。圖中所示是在2.5GHz~3.5GHz頻段內(nèi)的回波損耗，設(shè)計(jì)的偶極子天線中心頻率約為3GHz，S11<-10dBd的相對(duì)帶寬BW=（3.25-2.775）/3*100%=15.83%電壓駐波比駐波比,一般指的就是電壓駐波比,是指駐波的電壓峰值與電壓谷值之比。由圖可以看到在3GHZ附近時(shí)，電壓駐波比等于1，說(shuō)明此處接近行波，傳輸特性比較理想。smith圓圖史密斯圓圖是一種計(jì)算阻抗、反射系數(shù)等參量的簡(jiǎn)便圖解方法。采用雙線性變換，將z復(fù)平面上實(shí)部r=常數(shù)和虛部x＝常數(shù)的兩族正交直線變化為正交圓并與反射系數(shù)|G|=常數(shù)和虛部x＝常數(shù)套印而成。從smith圓圖可以看到，在中心頻率3GHz時(shí)的歸一化阻抗約為1，說(shuō)明端口的阻抗特性匹配良好。輸入阻抗傳輸線等電子電路等的輸入端口所呈現(xiàn)的阻抗。實(shí)質(zhì)上是個(gè)等效阻抗。只有確定了輸入阻抗，才能進(jìn)行阻抗匹配。圖中所示的輸入阻抗分別為實(shí)部和虛部，在中心頻率3GHz時(shí)，輸入阻抗比較的理想，容易實(shí)現(xiàn)匹配。方向圖方向圖是方向性函數(shù)的圖形表示，可以形象描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標(biāo)的變化關(guān)系。輻射特性有輻射強(qiáng)度、場(chǎng)強(qiáng)、相位和極化。通常討論在遠(yuǎn)場(chǎng)半徑為常數(shù)的大球面上，天線輻射（或接收）的功率或者場(chǎng)強(qiáng)隨位置方向坐標(biāo)的變化規(guī)律，并分別稱為功率方向圖和場(chǎng)強(qiáng)方向圖。天線方向圖是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)確定的，所以又叫遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。電場(chǎng)方向圖：由圖可以看到，電場(chǎng)方向以Z軸為對(duì)稱軸，在XOY平面上電場(chǎng)最強(qiáng)，且沿四周均勻輻射。但沿著Z軸方向電場(chǎng)強(qiáng)度很弱。磁場(chǎng)方向圖：磁場(chǎng)方向圖在XOY平面上接近一個(gè)圓，雖然看上去有些誤差。說(shuō)明磁場(chǎng)在XOY平面上輻射較為均勻。三維增益方向圖：這張圖可以很具體的看出半波偶極子天線沿著Z軸對(duì)稱輻射的情況。其他參數(shù)利用HFSS軟件仿真還可以得到天線在該輻射表面上得最大輻射強(qiáng)度、方向性系數(shù)、最大強(qiáng)度與其所在方向等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)分析設(shè)計(jì)一個(gè)天線，無(wú)論是作為發(fā)射天線還是接收天線，我們都很關(guān)心其方向參數(shù)、輸入阻抗參數(shù)、增益參數(shù)、頻帶寬度等參數(shù)。這里也主要就上述幾個(gè)參數(shù)來(lái)討論半波偶極子天線的優(yōu)缺點(diǎn)。半波偶極子天線在軸向無(wú)輻射；半波偶極子天線的輻射與其電長(zhǎng)度密切相關(guān)。當(dāng)電長(zhǎng)度小于0.5時(shí)，波瓣寬度最窄，在垂直與軸向的平面內(nèi)輻射最強(qiáng)，隨著電長(zhǎng)度的增加，開始出現(xiàn)副瓣，主瓣寬度變寬，最大輻射方向發(fā)生偏移；半波偶極子天線的輸入阻抗受頻率影響很劇烈，說(shuō)明寬頻帶時(shí)其較難實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配，所以相對(duì)應(yīng)的頻帶寬度也較窄；在諧振頻率附近時(shí)，我們從圖中可以看到，天線的輸入阻抗接近傳輸線的特性阻抗，實(shí)現(xiàn)匹配較易，而且在中心頻率附近，電波的傳輸特性也最好，從而可以實(shí)現(xiàn)較大效率的功率傳輸；通